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研究生: 蔡宜庭
論文名稱: 類核黃素修飾電極分析與應用; 電化學分析
指導教授: 王忠茂
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 電化學石英振盪天平交流阻抗分析類核黃素
英文關鍵詞: electrochemical quartz crystal microbalance techniques, electrochemical impedance spectroscopic, phenothiazines
論文種類: 學術論文
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  • 本實驗室曾對Phenothiazine化合物的物理化學性質進行探討,發現這類化合物,如toluidine blue,具有類似黃核素的電子傳遞特性以及作為蛋白質吸附劑的應用潛力,並可藉由電化學技巧修將之飾於電極表面。根據這些性質,本論文藉由phenothiazine以及電化學技巧如交流阻抗分析法(Electrochemical impedance spectroscopy,簡稱EIS)與電化學石英振盪天平(Electrochemical quartz crystal microbalance,簡稱EQCM),對蛋白質進行定量分析。實驗結果顯示:若將toluidine blue固定於導電玻璃電極上後,再以Fe(CN)63-/4-作為分子探針,分子探針在電極表面的電子傳遞阻抗(Charge transfer resistance)會因蛋白質添加而逐漸上升,其中以葡萄糖氧化脢的影響最鉅。EQCM分析也顯示類似結果,與EIS所得結果極為吻合。此外,我們也利用原子力顯微鏡(Atomic force microscope,簡稱AFM)與掃瞄式穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope,簡稱STM)觀察蛋白質在電極表面的吸附行為。根據實驗結果,我們證實Phenothiazine化合物具有作為蛋白質分子膠的應用潛力,也證實交流阻抗與電化學石英振盪天平技巧是分析蛋白質含量的有效工具之一。

    Phenothiazines, such as toluidine blue, are useful model compounds for mimicking the electron transfer in riboflavin system. Since they are also effective molecular glues for proteins, we carried out studies in this thesis to investigate their application potential in protein analysis.
    Analyses with the electrochemical impedance spectroscopic (EIS) and electrochemical quartz crystal microbalance techniques (EQCM) revealed that the electron transfer associated with Fe(CN)63-/4- would be imposed with increasing impedance at the toluidine blue-modified electrodes during the incorporation of proteins like glucose oxidase (GOx), giving rise to increasing charge-transfer resistance and increasing mass for the electrodes. Among the tested proteins, GOx stood out to be the one with the highest affinity for the phenothiazine-modified electrodes. For the adsorption behavior, we also analyzed the electrodes with atomic force microscopic (AFM) and scanning tunneling microscopic (STM) technique. Proteins were spotted on the electrodes, fully supporting the hypotheses made based on EIS and EQCM. According to these results, we conclude tat phenothiazine compounds are effective molecular glues for proteins and that EIS and EQCM are useful techniques for protein analysis.

    目錄 圖表目錄.......I 表目錄...II 中文摘要....i 英文摘要...ii 第一章 緒論...1 1.1 類核黃素的應用...1 1.2 電化學石英晶體微天平...3 1.3 電化學阻抗分析儀...7 1.4 掃描式穿隧電流顯微鏡...10 第二章 實驗...11 2.1 化學藥品...11 2.2 實驗設備...13 2.3 類核黃素修飾電極:前處理與製備...15 2.4交流阻抗分析儀器操作...16 2.5修飾電極之電化學石英震盪天平分析...17 2.6 掃瞄式穿隧顯微鏡儀器操作步驟...18 第三章 實驗結果與討論...21 3.1 類核黃素修飾電極–修飾膜分析...21 3.2 修飾電極之交流阻抗分析...31 3.3 蛋白質吸附含量分析...42 3.4 偶氮還原修飾電極之表面影像分析...53 第四章 結論...66 第五章 參考資料...67 第六章 附錄...69 圖目錄 圖1-1 QCM應用潛力示意圖。...3 圖1-2 壓電效應與反壓電效應之示意圖。...4 圖1-3 Randles等效電路示意圖。...7 圖1-4代表性Nyquist 圖譜。...9 圖3-1以偶氮還原法修飾TB的示意圖。...21 圖3-2以偶氮還原修飾TB於Au-QCM電極表面之結果,其中掃瞄圈數10圈。掃瞄速率為:0.02 V s-1。溶液為:1 mM的TB與 1.2 mM的NaNO2鹽酸溶液(0.1 M)。...23 圖3-3 以偶氮還原修飾法修飾TB於Au-QCM電極所得之TB吸附量與掃瞄圈數關係。實驗條件如圖3-2。...24 圖3-4 以AFM探針刮除ITO電極表面TB吸附膜時所測得的AFM影像(a)與其厚度與刮除次數之關係(b)。(c)為所得膜厚與還原圈數之關係。實驗條件:掃瞄速率為:0.02 V s-1。溶液為:1 mM的TB與1.2 mM的NaNO2鹽酸溶液(0.1 M)。接觸力︰0.4 N;面積:1 × 0.5 m2,AFM探針掃描速率:1 Hz。...26 圖3-5 TB氧化聚合於電極表面示意圖...28 圖3-6以氧化聚合修飾TB於Au-QCM電極表面之結果,其中掃瞄圈數10圈。掃瞄速率為:0.02 V s-1。溶液為:1 mM的TB於 0.1M KCl溶液。...29 圖3-7以AFM探針刮除ITO電極表面TB吸附膜時所測得的AFM影像(a)與其厚度與刮除次數之關係(b)。(c)為所得膜厚與還原圈數之關係。溶液為:1 mM的TB於 0.1M KCl溶液。接觸力︰0.4 N;面積:1 × 0.5 m2,AFM探針掃描速率:1 Hz。...30 圖3-8 1 mM Fe(CN)63-/4-的循環伏安圖譜。...32 圖3-9以偶氮還原法修飾的ITO|TB修飾電極添加(A) GOx(60 mg/mL)、(B) Ferritin(5 mg/mL)與(C) Salmon testes DNA(10 mg/mL)時所得的EIS圖譜,其中逐量添加體積為40 L,實點為模擬前,實線為模擬後。...33 圖3-10串聯層模擬電路示意圖。...35 圗3-11 不同層數的串聯電路模擬圖(▲) 為原始實驗數據,模擬層數分別為 (A) n = 0 (B) n = 1 (C) n = 2 (D) n = 3 (E) n = 4,模擬用的電極為偶氮化TB修飾電極且表面含有吸附達飽和的葡萄糖氧化脢。..35 圖3-12 蛋白質對ITO|TB偶氮環原修飾電極的RCT影響之比較圖,其中(○) Salmon Testes;(△)Ferritin;(□) Glucose Oxidase。偵測電位:0.175 V vs. SCE。頻率範圍:10k ~0.1 Hz。...37 圖3-13以氧化聚合法修飾的ITO|TB修飾電極添加(A) GOx(60 mg/mL)、(B) Ferritin(5 mg/mL)與(C) Salmon testes DNA(10 mg/mL)時所得的EIS圖譜,其中逐量添加體積為40 L,實點為模擬前,實線為模擬後。...39 圖3-14 蛋白質對ITO|TB氧化聚合修飾電極的RCT影響之比較圖,其中(○) Salmon Testes;(△)Ferritin;(□) Glucose Oxidase。偵測電位:0.175 V vs. SCE。頻率範圍:10k ~0.1 Hz。...41 圖3-15 TB偶氮還原修飾電極逐量添加GOx(濃度60 mg/mL,體積40L)時所測得的頻率與質量變化關係(上)。GOx吸附量與其濃度之關係。...43 圖3-16 TB偶氮還原修飾電極逐量添加Ferritin(濃度5 mg/mL,體積40 L)時所測得的頻率與質量變化關係(上)。Ferritin吸附量與其濃度之關係。...44 圖3-17 TB偶氮還原修飾電極逐量添加Salmon Testes DNA(濃度10 mg/mL,體積40 L)時所測得的頻率與質量變化關係(上)。DNA吸附量與其濃度之關係。...45 圖3-18 三種蛋白質在TB偶氮還原修飾電極上的吸附比較。...46 圖3-19 TB氧化聚合修飾電極逐量添加GOx(濃度60 mg/mL,體積40 L)時所測得的頻率與質量變化關係(上)。GOx吸附量與其濃度之關係。...48 圖3-20 TB氧化聚合修飾電極逐量添加Ferritin(濃度5 mg/mL,體積40 L)時所測得的頻率與質量變化關係(上)。Ferritin吸附量與其濃度之關係。...49 圖3-21 TB氧化聚合修飾電極逐量添加Salmon Testes DNA(濃度10 mg/mL,體積40 L)時所測得的頻率與質量變化關係(上)。DNA吸附量與其濃度之關係...50 圖3-22 三種蛋白質在TB氧化聚合修飾電極上的吸附比較。...1 圖3-23 兩種修飾膜於電極表面的示意圖。...52 圖3-24 . (a) ITO、(b) ITO|TB、(c) ITO|TB|FT、(d) ITO|TB|GOx與(e) ITO|TB|ST之AFM表面影像,其中TB是由偶氮化修飾而得。Scan size 500 nm × 500 nm,Data scale:20 nm,掃描速率 1 Hz。...54 圖3-25 (a) ITO、(b) ITO|TB、(c) ITO|TB|FT、(d) ITO|TB|GOx與(e) ITO|TB|ST之AFM表面影像,其中TB是由氧化聚合法製備而得。Scan size 500 nm × 500 nm,Data scale:20 nm,掃描速率 1 Hz。...55 圖3-26 (a) ITO、(b) ITO|TB、(c) ITO|TB|FT、(d) ITO|TB|GOx與(e) ITO|TB|ST之AFM表面粗糙度分析,其中曲線(A)為偶氮化修飾的電極,而(B)為以氧化聚合而得。...56 圖3-27 (a) ITO、(b) ITO|TB、(c) ITO|TB|FT、(d) ITO|TB|GOx與(e) ITO|TB|ST在液相中所得的STM影像,其中TB是以偶氮環化修飾琺製備而得。Scan size: 200 nm × 200 nm,穿隧偏壓:100mV,Data scale:10 nm,掃描速率:15 Hz,溶液:二次去離子水。...58 圖3-28 (a) ITO、(b) ITO|TB、(c) ITO|TB|FT、(d) ITO|TB|GOx與(e) ITO|TB|ST極在液相中所得的STM影像,其中TB是以氧化聚合法修飾,Scan size:200 nm × 200 nm,穿隧偏壓:100mV,Data scale:5 nm,掃描速率:15 Hz,溶液:二次去離子水。...59 圖3-29 (a) ITO、(b) ITO|TB、(c) ITO|TB|FT、(d) ITO|TB|GOx與(e) ITO|TB|ST在液相中所得的STM影像面粗糙度分析。其中曲線(A)為偶氮化修飾的電極,而(B)為以氧化聚合而得。..60 圖3-30以AFM導電探針對(A) ITO|TB|FT、(B) ITO|TB與(C) ITO所測得的I-V曲線,掃瞄速度:1.97 Hz。...61 圖3-31 以偶氮修飾法所得的ITO|TB電極(a)吸附FT (b)、GOx (c)、與ST (d)所測得之C-AFM影像,掃瞄速度:1 Hz,掃瞄範圍:1 m × 1 m,Data scale:5 nA。...62 圖3-32以氧化聚合法所得的ITO|TB電極(a)吸附FT (b)、GOx (c)、與ST (d)所測得之C-AFM影像,掃瞄速度:1 Hz,掃瞄範圍:1 m × 1 m,Data scale:5 nA。...63 圖3-33 以自製鉑銥合金探針在二次去離子水溶液中觀察單一鐵蛋白吸附顆粒影像,Scan size: 80 nm × 80 nm,穿隧偏壓 : 100 mV,Data scale :10 nm,掃描速率:15 Hz...65 圖6-1 測量實驗時間對於EIS實驗的影響,測量時間分別為(A) 0分鐘 (B) 20分鐘 (C) 40分鐘 (D) 60分鐘 (E) 80分鐘 (F) 100分鐘。...69 圖6-2 不同濃度的Fe(CN)63-/4-進行穩定度測試,在濃度為(A) 1 mM (B) 2 mM (C) 3 mM (D) 4 mM的Fe(CN)63-/4-每20分鐘測量一次阻抗。...70 圖6-3 不同類核黃素修飾電極對於60 mg/mL GOx 阻抗分析。...71 表目錄 表3-1 以三層串聯電路進行電腦模擬所得各元件數值,其中ITO|TC|GOx、ITO|TC|FT與ITO|TC|ST為ITO|TC電極上蛋白質吸附達到飽和時的代表數值。...16 表3-2 模擬數據誤差(%)。...16 表3-3 以三層串聯電路進行電腦模擬所得各元件數值,其中ITO|TC|GOx、ITO|TC|FT與ITO|TC|ST為ITO|TC電極上蛋白質吸附達到飽和時的代表數值。...20 表3-4 模擬數據誤差(%)...20 表3-5 各種顯影技術對蛋白質粒徑進行分析所得結果比較...44

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